王震宇， 劉俊州

(中國(guó)石化 石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083)

0 引言

利用地震資料可以獲得巖石的速度、密度等彈性參數(shù)信息，而利用測(cè)井資料可以獲得巖石礦物組分、孔隙度、滲透率等儲(chǔ)層參數(shù)信息，巖石物理建模的目的正是建立儲(chǔ)層參數(shù)與彈性參數(shù)之間的關(guān)系，為儲(chǔ)層參數(shù)與地震響應(yīng)之間架起橋梁，是應(yīng)用地震及測(cè)井資料來研究?jī)?chǔ)層和預(yù)測(cè)油氣的理論基礎(chǔ)[1-4]。目前利用巖石物理建模研究成果，能夠提供針對(duì)儲(chǔ)層識(shí)別及含油氣性分析的敏感彈性參數(shù)，為優(yōu)選儲(chǔ)層解釋方案和儲(chǔ)層及流體預(yù)測(cè)方法提供依據(jù)，進(jìn)而有效指導(dǎo)儲(chǔ)層及流體識(shí)別和預(yù)測(cè)[5-7]。

鄂爾多斯盆地北部H區(qū)塊北跨伊盟北部隆起，南跨伊陜斜坡北部，西接天環(huán)坳陷北端，探明儲(chǔ)量為162.87*108m3，該區(qū)內(nèi)蘊(yùn)藏有豐富的致密砂巖氣資源。主力開發(fā)層位下石盒子組構(gòu)造整體較為平緩，為向西南傾斜的單斜形態(tài)，呈現(xiàn)出北東高，南西低的特征。主要沉積類型為辮狀河，儲(chǔ)層具有橫向變化快、非均質(zhì)性強(qiáng)、厚度薄等特點(diǎn)。儲(chǔ)層物性差，屬于低孔-特低孔、特低滲-超低滲的典型致密砂巖儲(chǔ)層，儲(chǔ)層與圍巖之間波阻抗差異較小，預(yù)測(cè)難度大。筆者采用巖石物理建模技術(shù)分析區(qū)域巖石物理規(guī)律，明確儲(chǔ)層及流體預(yù)測(cè)方法，通過建立巖石物理模板對(duì)疊前彈性參數(shù)反演數(shù)據(jù)體定量解釋，進(jìn)而來降低儲(chǔ)層預(yù)測(cè)風(fēng)險(xiǎn)。

1 面向巖石物理建模的測(cè)井評(píng)價(jià)

在低孔低滲儲(chǔ)層巖石物理分析的實(shí)際工作中，測(cè)井資料評(píng)價(jià)為巖石物理建模提供必須的礦物體積組分、孔隙度及飽和度等參數(shù)作為物質(zhì)基礎(chǔ)，巖石物理建模前要評(píng)價(jià)測(cè)井資料是否符合巖石物理建模的要求。測(cè)井資料常存在三個(gè)方面的問題[8]：

圖1 井曲線井眼環(huán)境校正前后聲波-密度交會(huì)圖Fig.1 Acoustic-density crossplots before and after borehole environment correction(a)校正前；(b)校正后

圖2 多井一致性處理前后聲波-密度交會(huì)圖Fig.2 Acoustic-density crossplots before and after multi-wells consistency processing(a)校正前；(b)校正后

1)測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)質(zhì)量易受井眼垮塌、泥漿侵入等因素影響，導(dǎo)致聲波、密度、中子等曲線失真。

2)受不同系列測(cè)井儀器間的系統(tǒng)誤差、泥漿性能的差異、泥漿侵入范圍及井眼環(huán)境等因素的影響，不同井之間同一測(cè)井曲線在標(biāo)準(zhǔn)層的測(cè)井響應(yīng)可能存在很大的差異。

3)常規(guī)測(cè)井解釋只關(guān)注儲(chǔ)層段，非儲(chǔ)層段孔隙度、泥質(zhì)含量等通常賦給“0”或“1”的截止值，顯然不能滿足巖石物理建模的需求。因此，測(cè)井評(píng)價(jià)的主要環(huán)節(jié)為井資料環(huán)境校正、多井一致性處理及測(cè)井參數(shù)評(píng)價(jià)。

通過井徑曲線與鉆頭直徑對(duì)比分析，部分層段存在井眼垮塌的現(xiàn)象。在井眼垮塌層段，聲波、密度、中子等曲線存在不合理的響應(yīng)。我們采用多元線形擬合的方法對(duì)這些層段測(cè)井響應(yīng)的進(jìn)行校正。具體做法是，在巖性、巖相及含流體性質(zhì)相似且相距較近的層段，對(duì)井眼條件較好、質(zhì)量較高的測(cè)井曲線進(jìn)行多元線性擬合，建立目標(biāo)曲線與基準(zhǔn)曲線的函數(shù)響應(yīng)關(guān)系，然后利用該函數(shù)響應(yīng)關(guān)系對(duì)井眼垮塌層段的目標(biāo)曲線進(jìn)行校正。校正前，由于井壁垮塌等因素的影響，導(dǎo)致密度測(cè)量值偏小、中子測(cè)量值偏高的現(xiàn)象。校正后各井的中子、密度分布規(guī)律更加合理(圖1)。

多井一致性處理是井、震資料結(jié)合的重要質(zhì)控環(huán)節(jié)。井震聯(lián)合標(biāo)定、建立低頻模型、批量井約束的地震隨機(jī)反演等技術(shù)環(huán)節(jié)，易受井間曲線差異性的影響而存在更多的不確定性。多井一致性處理可選用均值校正法、頻率直方圖法、趨勢(shì)面分析法等方法，處理后自然伽馬、縱橫波時(shí)差、密度以及中子等曲線多井間標(biāo)準(zhǔn)層的響應(yīng)范圍基本一致，消除了因儀器系統(tǒng)誤差等因素導(dǎo)致的井間異常。由圖2可知，處理后的多井聲波和密度數(shù)據(jù)分布規(guī)律一致性較好，沒有偏態(tài)現(xiàn)象，滿足巖石物理建模及儲(chǔ)層預(yù)測(cè)對(duì)井間一致性的要求。

測(cè)井參數(shù)評(píng)價(jià)采用最優(yōu)化測(cè)井解釋方法。傳統(tǒng)的測(cè)井解釋方法基本上都是采用有限的幾種測(cè)井資料、按照固定的解釋模型進(jìn)行儲(chǔ)層參數(shù)計(jì)算和油氣評(píng)價(jià)的。與常規(guī)測(cè)井解釋不同，最優(yōu)化測(cè)井解釋將所有測(cè)井信息、測(cè)井響應(yīng)誤差等綜合成一個(gè)多維信息復(fù)合體，通過建立和求解物理意義明確的線性方程組，從而得到目地層儲(chǔ)層與圍巖礦物體積組分、孔隙度等巖石物理建模必須的輸入數(shù)據(jù)[9-10]。最優(yōu)化測(cè)井解釋數(shù)據(jù)準(zhǔn)備和數(shù)據(jù)預(yù)處理的過程，要注意兩方面問題：①確保測(cè)井輸入曲線與模型輸出曲線間的關(guān)系是線性的；②確定不同類型測(cè)井響應(yīng)的誤差范圍。對(duì)比常規(guī)測(cè)井解釋與最優(yōu)化測(cè)井解釋成果(圖3)，第7道藍(lán)色為常規(guī)測(cè)井解釋孔隙度，紅色為最優(yōu)化測(cè)井解釋孔隙度；第8道為常規(guī)測(cè)井解釋的礦物體積組分；第9道為最優(yōu)化測(cè)井解釋的礦物體積組分。最優(yōu)化測(cè)井解釋成果在儲(chǔ)層段和常規(guī)解釋基本相同，不同之處主要是非儲(chǔ)層段，常規(guī)解釋泥質(zhì)含量100%，孔隙度為“0”的層段有了很好地改善，這樣更好滿足后續(xù)巖石物理建模的要求。

圖3 常規(guī)測(cè)井解釋與最優(yōu)化測(cè)井解釋對(duì)比圖Fig.3 Comparison between the conventional logging interpretation and optimized logging interpretation

2 面向儲(chǔ)層預(yù)測(cè)的巖石物理建模

巖石物理建模所遵循的技術(shù)流程為：將測(cè)井評(píng)價(jià)環(huán)節(jié)得到的礦物體積含量、總孔隙度、含水飽和度等參數(shù)作為輸入，選用適合的巖石物理模型(DEM模型、Xu-White模型、K-T模型、自適應(yīng)模型等)進(jìn)行縱、橫波速度及密度的建模。通過微調(diào)粘土等骨架點(diǎn)參數(shù)及所選巖石物理模型相關(guān)的孔隙長(zhǎng)寬比等孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)，使正演模型數(shù)據(jù)和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)達(dá)到較高的相關(guān)性，最終確定可用于工區(qū)內(nèi)的巖石物理模型和優(yōu)化參數(shù)。對(duì)于致密泥質(zhì)砂巖地層來說，參數(shù)優(yōu)化的順序是干粘土密度骨架點(diǎn)，干粘土橫波速度骨架點(diǎn)，干粘土縱波速度骨架點(diǎn)，最后是孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)。如果參數(shù)優(yōu)化后不能得到誤差足夠小的有預(yù)測(cè)性的巖石物理模型，則需要返回到測(cè)井評(píng)價(jià)流程，檢查測(cè)井曲線質(zhì)量、多井一致性是否存在問題，測(cè)井參數(shù)評(píng)價(jià)是否合理。將測(cè)井評(píng)價(jià)與巖石物理建模迭代處理，最后得到一個(gè)與實(shí)測(cè)曲線匹配最佳的結(jié)果。

巖石物理建模具體的方法為：

1)流體體積模量計(jì)算方法采用Batzle-Wang方程[11]，可以得到地層溫度、壓力、礦化度條件下水的體積模量與密度以及天然氣的體積模量與密度。方程形式如下：

ρw= 1+10-6(-80T-3.3T2+0.00175T3+

489P-2TP+0.016T2P-1.3×

10-5T3P-0.333P2-0.002TP2)

(1)

ρb=ρw+0.668S+0.44S2+10-6[300P-

2400PS+T(80+3T-300S-

13P+47PS)]

(2)

(3)

Vb=Vω+S(1700-9.6T+0.055T2-8.5×

10-5T3+2.6P-0.0029TP-

0.0476P2)+S1.5(780-10P+

0.16P2)-1820S2

(4)

(5)

(6)

(7)

式中：T、P、S分別為地層溫度、壓力及礦化度；ρw、Vω分別為純水的密度及速度；ρb、Vb分別為地層水的的密度及速度；Kb為地層水體積模量；ρgas、Kgas分別為天然氣的密度及體積模量；R為氣體常量；Ta=T+273.15；G為天然氣比重；Z為校正壓縮因子；γ0為熱容系數(shù)；下標(biāo)T為等溫度條件。

圖4 巖石物理模型正演成果Fig.4 Result of rock physics modeling

2)氣水兩相體積模量計(jì)算方法采用Wood方程[12-13]。方程形式如下：

ρf=(1-Sw)ρgas+Swρb

(8)

(9)

式中：ρf、Kf分別為孔隙內(nèi)混合流體的密度與體積模量；ρgas、Kgas分別為天然氣的密度與體積模量；ρb、Kb分別為地層水的密度與體積模量；Sw為含水飽和度。

3)巖石骨架模量的計(jì)算采用自適應(yīng)模型[14-18]，該模型選用要求解的有效介質(zhì)作為基質(zhì)，通過不斷改變基質(zhì)來考慮內(nèi)含物之間的相互作用。方程形式如下：

(10)

(11)

式中：xi為第i種礦物的體積組分；Ki、μi分別為第i種礦物的體積模量及剪切模量；Pi、Qi為第i種礦物的形狀因子；Kdry、μdry分別為骨架體積模量及剪切模量。

4)流體替代方法采用Gassmann理論[19]，它是利用基質(zhì)(顆粒)、骨架及孔隙流體的體積模量、骨架剪切模量以及孔隙度來計(jì)算孔隙流體飽和介質(zhì)的密度、縱波速度和橫波速度等彈性參數(shù)。方程形式如下：

(12)

(13)

式中:ρ、Vp、Vs分別為以體積模量為Kf的流體所飽和巖石的密度、縱波速度和橫波速度；Kdry為巖石骨架體積模量；Km為基質(zhì)體積模量；φ為孔隙度；μdry為巖石骨架的剪切模量。

圖4為單井巖石物理正演成果圖。從圖4可知，正演曲線與實(shí)測(cè)曲線韻律基本一致，且相關(guān)性較高，說明了正演模型和正演結(jié)果是可靠的，正演模型可以在工區(qū)內(nèi)推廣應(yīng)用?？衫迷搸r石物理模型對(duì)工區(qū)內(nèi)沒有橫波測(cè)井的井進(jìn)行橫波預(yù)測(cè)，進(jìn)而獲得各種彈性參數(shù)。

縱橫波速度交匯分析、泊松比分析和模量交匯分析都是分析儲(chǔ)層含油氣性重要方法。根據(jù)工區(qū)的實(shí)際地質(zhì)特征，建立了不同孔隙度與不同含水飽和度條件下，基于巖石物理建模的致密泥質(zhì)砂巖地層縱波阻抗-縱橫波速度比、縱波阻抗-泊松比、縱波阻抗-拉梅系數(shù)·密度、縱波阻抗-剪切模量·密度等疊前反演成果定量解釋模板(圖5)。通過巖石物理正演，在測(cè)井分辨率下，縱波阻抗不能區(qū)分泥巖、干層、水層與氣層等。聯(lián)合正演的彈性參數(shù)縱橫波速度比、泊松比、剪切模量·密度、拉梅系數(shù)·密度對(duì)氣層與其他層有較大的差異，可以通過這些彈性參數(shù)中的一種或者多種組合來區(qū)分。其中縱橫波速度比與泊松比對(duì)于氣水識(shí)別具有一個(gè)相對(duì)明顯的值域，氣層與差氣層的縱橫波速度比為1.5～1.6，泊松比為0.13～0.18；由于儲(chǔ)層孔隙度很小，彈性參數(shù)識(shí)別窗口很窄，泥巖、干層、水層有一些疊置。而對(duì)于剪切模量·密度與拉梅系數(shù)·密度，氣層具有比較明顯的云團(tuán)分布，可以據(jù)此來設(shè)計(jì)流體因子，進(jìn)而更加準(zhǔn)確的識(shí)別氣層與水層。

圖5 巖石物理定量解釋模板Fig.5 Quantitative interpretation templates of rock physics modeling(a)縱波阻抗-縱橫波速度比交會(huì)圖；(b)縱波阻抗-泊松比交會(huì)圖(c)縱波阻抗-剪切模量·密度交會(huì)圖；(d)縱波阻抗-拉梅系數(shù)·密度交會(huì)圖

圖6 疊前反演彈性參數(shù)剖面圖Fig.6 Profiles of prestack elastic parameters inversion(a)疊前反演縱波阻抗剖面；(b)疊前反演縱橫波速度比剖面;(c)疊前反演密度剖面

3 含氣儲(chǔ)層預(yù)測(cè)應(yīng)用

利用疊前同時(shí)反演技術(shù)流程，實(shí)現(xiàn)了疊前彈性參數(shù)反演。在疊前彈性同時(shí)反演時(shí)，為保證反演效果，在反演過程中需采取多種質(zhì)量控制手段，包括反演參數(shù)優(yōu)選以及檢驗(yàn)井試驗(yàn)等。以此來保證合理的參數(shù)選擇、穩(wěn)定與有效的反演過程以及可靠的反演結(jié)果[20-22]。我們從多個(gè)部分角度疊加數(shù)據(jù)出發(fā)，綜合利用所有入射角的地震數(shù)據(jù)，進(jìn)行同時(shí)反演，直接得到縱波阻抗、縱橫波速度比和密度這3個(gè)基本的彈性參數(shù)(圖6)。從圖5可知，氣層與差氣層的縱橫波速度比為1.5～1.6，我們提取平面屬性并利用該閾值調(diào)整色標(biāo)。圖7為基于巖石物理模板的盒3段縱橫波速度比平面圖；圖7中紅-黃表示縱橫波速度比為1.5～1.6，巖石物理分析為氣層。從圖7中可知，屬性揭示盒3段自北向南發(fā)育多條河道，以窄河道為主要特征，片狀區(qū)域?yàn)槎嗥诤拥蜡B置所致；紅-黃色指示該河道內(nèi)部的含氣儲(chǔ)層。根據(jù)該屬性部署的A井獲得了20.74*104m3/d的無阻流量，B井獲得了37.78*104m3/d的無阻流量，C井獲得了22.3*104m3/d的無阻流量，D井獲得了31.96*104m3/d的無阻流量，取得了較好的鉆探效果。

圖7 基于巖石物理模板的盒3段含氣儲(chǔ)層平面展布圖Fig.7 Distribution map of gas bearing reservoirs of P1x3 based on rock physics modeling

4 結(jié)論

1)測(cè)井評(píng)價(jià)為巖石物理建模提供物質(zhì)基礎(chǔ)，測(cè)井參數(shù)質(zhì)量直接影響巖石物理建模精度。

2)巖石物理建模為疊前反演提供必要的彈性參數(shù)，其重點(diǎn)在于參數(shù)優(yōu)化。我們針對(duì)工區(qū)內(nèi)致密砂巖地層的特點(diǎn)進(jìn)行參數(shù)的選取與優(yōu)化，取得了較好的效果。

3)建立巖石物理模板，對(duì)疊前反演成果進(jìn)行定量化解釋，精細(xì)刻畫儲(chǔ)層(含氣儲(chǔ)層)的展布規(guī)律，為選區(qū)評(píng)價(jià)和井位部署提供借鑒。